2023年7月26日-28日，Green Carbon首届编委会暨2023国际绿碳科学大会在青岛召开。Green Carbon副主编、长江学者特聘教授、湖北工业大学生物工程与食品学院彭良才教授应邀出席。

指导期刊发展

在首届编委会上，彭良才教授指出，Green Carbon期刊应有清晰的定位，突出“绿色”的主题；此外，期刊应尽可能缩短稿件处理时间，审稿周期应控制在一个月以内。

2023国际绿碳科学大会邀请报告

利用纤维素纳米纤维制备高价值副产品

化石能源的过度使用会造成环境污染和能源危机等问题，利用生物质生产生物燃料和高价值生物基材料是世界各国关注的重点。在本次邀请报告中，彭良才教授系统介绍了课题组利用纤维素纳米纤维制备高价值副产品的研究进展，提出选择合适的能源植物，利用基因工程相关技术，可在基本不影响植物生长发育的前提下，大量提升生物质的产量和质量，解决生物质转化成本过高、难以工业化生产的问题。

图1 彭良才教授在2023国际绿碳科学大会上作邀请报告

能源植物的选育

第一代生物能源以淀粉和糖基为原料，已经可以全球规模化生产，然而由于粮食安全问题，第一代生物能源不具备可持续发展的条件。第二代生物能源以木质纤维素为原料，可缓解自然资源短缺和生态环境变化等问题。第二代生物能源生产过程包括预处理、酶解产糖和发酵产醇三个部分，但是由于生产成本过高难以实现工业化生产。选育合适的能源植物，并利用基因工程技术对能源植物进行改性，提升生物质的产量和质量是解决第二代生物能源生产成本问题的有效方法。

芒草是一种优质的能源植物，彭良才教授课题组收集并筛选出四种高产优质材料：M. sinensis，M. floridulus，M. sacchariflorus和M. lutarioriparius。对芒草材料进行温和的物理或化学方法预处理，可以使生物乙醇的产量提高2-5倍。水稻是中国的主要粮食作物，其秸秆可以提供大量生物质，彭良才教授课题组已对30多个与水稻细胞壁合成相关的基因进行鉴定，目前得到脆秆和矮秆两种主要的突变体类型。突变体的细胞壁成分发生变化，经过温和的预处理后己糖释放量提高，生物乙醇的产量提高3-7倍。除此之外，还利用小麦、甜高粱、玉米、马铃薯等粮食作物的秸秆，黄麻、红麻和苎麻等纤维作物的茎秆，以及香蕉假茎和甘蔗渣等进行生物质的转化。

突变体材料的培育及应用

彭良才教授提出了植物细胞壁所共有的“沟槽”结构假设模型，植物细胞壁中的沟槽密度影响纤维素的结晶度、聚合度和排列角度。外源纤维素酶主要是通过进入沟槽主区对纤维素进行酶解。物理和化学预处理通过疏通沟槽外区，可增加植物细胞壁的空隙数量和大小，从而增加外源纤维素酶对纤维素的可及性，提高生物质的酶解产糖和发酵产醇的效率。

图2 用于提高生物质产量和生物燃料产率的植物细胞壁修饰模型

OsCESA9中P-CR区域发生取代的水稻Osfc16突变体纤维素结晶度和聚合度降低，但保持了和野生型相似的谷物产量和品质。同时突变体的株高降低，提高了植株的抗倒伏能力，而生物质产量显著提高，使突变体材料的产糖产醇效率大幅提高。

彭良才教授课题组与美国佐治亚大学徐炳乾教授合作，利用原子力显微镜（AFM）技术对Osfc16突变体的纤维素纳米纤维进行表征，观测到突变体高效的酶催化模式，纤维素的无定形区和断裂区为纤维素酶水解提供了作用位点。此外，酸性催化处理可将纤维素纳米纤维转化为尺寸更小的纳米晶体。同时，Osfc16突变体可高效诱导真菌产纤维素酶以及制备高价值、高质量的Pickering乳化剂。

图3 纤维素微纤丝的AFM形貌图像，纤维素酶（EG+CBHI+BG）水解纤维素的不同催化模式示意图及纳米纤维的长度

超表达植物糖苷水解酶家族中的内源OsGH9B1/B3基因的水稻材料纤维素酶活性显著提高，纤维素聚合度和结晶度降低，乙醇产率提高。真菌中的β-葡萄糖苷酶（BGL 1）基因也可在水稻秸秆中大量定点表达，使水稻转基因材料抗倒伏性能和产糖产醇效率显著提高。此外，独特的芒草木质纤维素材料可以作为底物改善真菌分泌纤维素酶和木聚糖酶的能力，从而制备低成本高酶活性的粗酶液，持续增强多种生物质材料的糖化效率。

利用生物质制备新型生物材料

彭良才教授提出，使用基因编辑技术对能源植物中的木质纤维素改性，可得到优质的纳米纤维；对真菌菌株进行工程改造以分泌最佳的纤维素酶混合物，促进各种木质纤维素进行完全酶促糖化；工程酵母菌株可以使用己糖和木糖有效共发酵产生物乙醇；最后，引入绿色加工技术，利用剩余的富含木质素的残基转化形成高值生物产品。

图4 新型生物材料生产的绿色工艺和策略

目前，彭良才教授课题组已利用CRISPR/CAS9技术对水稻的OsCESA4/7/9中的ZnF、P-CR、CSR、TMD、QXXRW等区域进行敲除和点突变，得到40多种优质突变体材料。突变体的木质纤维素经过绿色预处理可几乎完全酶解，提升生物乙醇的产量；粗纤维经过超声分散得到的纤维可制备高孔隙率的纤维素气凝胶，同时可增加对油的吸附量；微晶纤维素可制备优质的石墨烯材料，可作为电化学性能优异的电极材料。

彭良才教授总结到，中国制造2035提出要推动中国制造业迈向智能化、绿色化和高质量发展。经基因编辑的突变体材料可制备高值生物燃料、纳米材料、电化学材料、膳食纤维和功能食品等，可实现生物质的高效、高值、绿色的综合利用。

专家简介

彭良才，湖北工业大学生物工程与食品学院教授、博士生导师、教育部长江学者特聘教授、教育部/科技部作物生物能源物质高效合成和转化分子机理“111”创新引智基地主任、Green Carbon副主编、曾任华中农业大学生物质与生物能源研究中心主任。长期致力于植物纤维素生物合成和纳米纤维结构改性、细胞壁代谢调控网络与生物质纳米原料选育、生物质绿色预处理与酶工程、纤维素燃料乙醇与生物质液体燃料、生物质纳米增强复合材料和元件、生物碳与纳米碳纤维等方面的研究。主持国家重点研发计划、转基因生物新品种培育科技重大专项、国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金等国家级科研项目20余项，在Science, Nature Communications, Biotechnology Advances, Bioresource Technology, Green Chemistry, Carbohydrate Polymers, Plant Biotechnology Journal, Journal of Integrative Plant Biology等国际著名学术期刊发表论文100余篇，被引6500余次，H指数42；著作2部；授权国家专利10项；特邀国内外学术报告60余场。